對流換熱

對流換熱是指流體與固體表面的熱量傳輸。對流換熱是在流體流動(dòng)進(jìn)程中發(fā)生的熱量傳遞現(xiàn)象。對流換熱與熱對流不同，既有熱對流，也有導(dǎo)熱；不是基本傳熱方式。例如：家用空調(diào)換熱器鋁翅片既有導(dǎo)熱又和空氣進(jìn)行對流換熱 實(shí)際流體都是有粘性的，由于粘性的作用，靠近固體壁面的流體滯止，流體力學(xué)中稱為無滑移邊界條件。壁面與流體間的換熱必須經(jīng)過這一個(gè)邊界層，而穿過靜止流體的熱量傳遞方式只能是導(dǎo)熱。

(1)導(dǎo)熱與熱對流同時(shí)存在的復(fù)雜熱傳遞過程。

(2) 必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運(yùn)動(dòng)；也必須有溫差。

影響對流換熱的因素是影響流動(dòng)和影響流體中熱量傳遞因素的綜合作用。主要有以下五個(gè)方面。

（1）流體流動(dòng)的起因

由于流動(dòng)的起因不同，對流可以分為強(qiáng)制對流和自然對流換熱兩大類。兩種流動(dòng)的成因不同，流體中的速度場有差別，所以換熱規(guī)律也不一樣。

（2）流體有無相變

當(dāng)流體沒有相變時(shí)對流換熱中的熱量交換是由于流體的顯熱變化而實(shí)現(xiàn)的；而在有相變的換熱過程（如沸騰或凝結(jié)），流體的相變潛熱往往起著主要作用，因而換熱規(guī)律與無相變時(shí)不同。

（3）流體的流動(dòng)狀態(tài)（單相流動(dòng)）

層流時(shí)流體微團(tuán)沿著主流方向作有規(guī)律的分層流動(dòng)，而湍流時(shí)流體各部分之間發(fā)生強(qiáng)烈的混合，因而換熱能力不同。

（4）流體的物性條件

流體的密度、動(dòng)力黏度、導(dǎo)熱率等不僅對流體的流動(dòng)有影響，而且對流體中熱量傳遞也有影響，因此流體的物理性質(zhì)對流體換熱有著很大的影響。

（5）換熱表面的幾何因素

這里的幾何因素指換熱面的形狀、大小、換熱表面與流體運(yùn)動(dòng)的相對方向及換熱面的狀態(tài)（光滑或粗糙）。

也稱換熱系數(shù)。對流換熱的強(qiáng)度依據(jù)牛頓冷卻定律，其基本計(jì)算公式是：式中q為單位面積的固體表面與流體之間在單位時(shí)間內(nèi)交換的熱量,稱作熱流密度；T_w、T_f分別為固體表面和流體的溫度；h稱為傳熱系數(shù),它表示在單位面積的固體表面上，當(dāng)流體與固體表面之間的溫度差為1K時(shí)，每單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量。h的大小反映對流換熱的強(qiáng)弱,如上所述，它與影響換熱過程的諸因素有關(guān)，并且可以在很大的范圍內(nèi)變化，所以牛頓公式只能看作是傳熱系數(shù)的一個(gè)定義式。它既沒有揭示影響對流換熱的諸因素與h之間的內(nèi)在聯(lián)系,也沒有給工程計(jì)算帶來任何實(shí)質(zhì)性的簡化，只不過把問題的復(fù)雜性轉(zhuǎn)移到傳熱系數(shù)的確定上去了。因此，在工程傳熱計(jì)算中，主要的任務(wù)是計(jì)算h。計(jì)算傳熱系數(shù)的方法主要有實(shí)驗(yàn)求解法、數(shù)學(xué)分析解法和數(shù)值分析解法。

通過實(shí)驗(yàn)求出h與諸影響因素之間的定量關(guān)系式。實(shí)驗(yàn)求解法是處理工程實(shí)際中復(fù)雜的對流換熱問題的重要手段，也是其他求解方法的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)驗(yàn)求解法是在相似理論的指導(dǎo)下，對求解的問題進(jìn)行相似分析，求出與問題有關(guān)的無量綱數(shù)（由相應(yīng)的物理參數(shù)組成）。每個(gè)無量綱數(shù)都具有一定的物理意義。與對流換熱有關(guān)的最常見的無量綱數(shù)包括：①努塞爾數(shù)Nu=hl/k,式中l為特征長度,h為傳熱系數(shù),k為固體的熱導(dǎo)率。它反映換熱表面的溫度梯度;②雷諾數(shù)Re=vl/v，式中v和v分別為流速的特征速度和運(yùn)動(dòng)粘度。它反映粘性對流動(dòng)的影響；③格拉曉夫數(shù)式中γ、g和Δt分別為流體的體積膨脹系數(shù)、重力加速度和固體表面與流體之間的溫度差。它反映浮升力對流動(dòng)的影響；④普朗特?cái)?shù)式中cp為定壓比熱容；η為動(dòng)力粘度。它反映流體物性對流動(dòng)中換熱的影響。從數(shù)學(xué)上可以證明，任何物理量之間的關(guān)系都可以轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的無量綱數(shù)之間的關(guān)系。因此傳熱系數(shù)h與其影響因素之間的關(guān)系可以表示成Nu與其他無量綱數(shù)之間的關(guān)系:對于受迫對流換熱Nu=f(Re，Pr)；對于自然對流換熱Nu=f(Gr,Pr)。在這種關(guān)系式中，作為獨(dú)立變量的數(shù)目大大減少，有利于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合整理。在實(shí)驗(yàn)求解時(shí)，可以根據(jù)相似規(guī)律或改變模型尺寸，或更換流體種類進(jìn)行研究。這種實(shí)驗(yàn)稱為?；瘜?shí)驗(yàn)。

把微分方程組的積分求解過程變換成相應(yīng)的差分方程組的代數(shù)求解過程進(jìn)行求解。這種解法的計(jì)算工作量非常大，但由于計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和各種新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)的配合，這一方法的研究獲得迅速發(fā)展，并正在形成傳熱學(xué)的一個(gè)新的分支──數(shù)值計(jì)算傳熱學(xué)。

由于在貼壁面處流體受到粘性的作用，沒有相對于壁面的流動(dòng)，稱為壁面無滑移條件。因此，由壁面無滑移條件可知，在極薄的貼壁流體流層中，熱量只能以導(dǎo)熱的方式進(jìn)行傳遞。將傅里葉定律用于貼壁面流體層可得

將牛頓冷卻公式q=h△t與上式聯(lián)立求解可得以下的換熱微分方程：

上式表面，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的求解依賴于流體溫度場的求解。

實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，在對流換熱條件下，主流與壁面之間存在溫度差。在壁面附近的一個(gè)薄層內(nèi)，流體溫度在壁面的法線方向上發(fā)生劇烈的變化；而在此薄層之外，流體的溫度梯度幾乎等于零。因此，可以將邊界層概念推廣到溫度場中。固體表面附近流體溫度發(fā)生劇烈變化的這一薄層稱為溫度邊界層（熱邊界層），其厚度記為δ。對于外掠平板的對流換熱，類似于速度邊界層得定義，傳熱學(xué)中一般也將達(dá)到來流過余溫度99%的流層處，定義為δ的外邊界。除液態(tài)金屬及高粘性的流體外，熱邊界層的厚度δ在數(shù)量級上是個(gè)與運(yùn)動(dòng)邊界層厚度δ相當(dāng)?shù)男×?。于是對流換熱問題的溫度場也可以分為兩個(gè)區(qū)域：熱邊界區(qū)和主流區(qū)。在主流區(qū)，流體中溫度變化率可視為零，這樣就可把研究的熱量傳遞的區(qū)域集中到熱邊界層之內(nèi)。

形成對流的原因有兩種：流體各部分因溫度引起的密度差所形成的運(yùn)動(dòng)稱為自然對流；由風(fēng)機(jī)、泵等所驅(qū)動(dòng)的流體運(yùn)動(dòng)稱為受迫對流。相應(yīng)的換熱過程分別稱為自然對流換熱和受迫對流換熱。

熱對流(Heat convection)是指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的流體各部分之間發(fā)生相對位移，冷、熱流體相互摻混所導(dǎo)致的熱量傳遞過程。工程上所說的對流傳熱一般特指流體流過一個(gè)物體表面時(shí)流體與物體表面間的熱量傳遞過程。

它又可分成大空間內(nèi)自然對流換熱和有限空間內(nèi)自然對流換熱兩種。前者的無量綱關(guān)系式常表達(dá)為式中下角標(biāo)m表示無量綱數(shù)中的物性參數(shù)是根據(jù)溫度tm=(to tf)/2確定的，to和tf分別為固體表面和液體的溫度；系數(shù)C和指數(shù)n的數(shù)值隨固體表面的形狀、大小和位置的不同而異。

有限空間內(nèi)自然對流換熱的關(guān)系式因空間的幾何形狀、大小和放置方位不同而異，所以公式繁多。在計(jì)算時(shí)須根據(jù)不同的問題查閱有關(guān)手冊。

根據(jù)邊界層形成和發(fā)展情況的不同，可以分成內(nèi)部流動(dòng)和外掠流動(dòng)兩種。根據(jù)流動(dòng)狀況的不同，這兩種流動(dòng)又各有層流和湍流(紊流)之分。對于不同流動(dòng)方式的對流換熱問題，須選用相應(yīng)的無量綱數(shù)關(guān)系式來計(jì)算。例如,對于管內(nèi)湍流換熱，在10⁴≤Re_f ≤1.2×10⁵、0.6≤Pr_f≤120、流體與固體表面的溫差不大和壁面光滑的直管道等條件下，可以選用下式式中下角標(biāo) f表示相應(yīng)無量綱數(shù)中的有關(guān)物性參數(shù)都是根據(jù)t_f來確定的。2100433B

通常對流換熱的研究方法分以下四種：

分析法。在相應(yīng)描述邊界條件和一類對流換熱的數(shù)學(xué)問題求解偏微分方程取得解析速度場和溫度場。由于數(shù)學(xué)計(jì)算條件的限制，目前對于個(gè)別簡單的求解問題可以分析對流換熱系數(shù)，如二維邊界層的層流流動(dòng)。當(dāng)然，分析法的最大優(yōu)點(diǎn)是能深刻揭示物理量之間的依變關(guān)系，也是其他評價(jià)方法的基礎(chǔ)理論依據(jù)。

實(shí)驗(yàn)法。實(shí)驗(yàn)法依然是求解對流換熱問題的重要的方法，由于對流換熱問題是個(gè)復(fù)雜動(dòng)態(tài)的過程，尤其是對于在真實(shí)環(huán)境下建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜換熱情況，進(jìn)行一個(gè)準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)方案是解決這類復(fù)雜問題的唯一途徑。

比擬法。以能量守恒和動(dòng)量守恒定律為基礎(chǔ)，建立換熱系數(shù)與阻力系數(shù)之間的關(guān)系式，再利用測定的阻力系數(shù)計(jì)算出表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。在傳熱學(xué)早期發(fā)展中，這一方法曾是計(jì)算湍流換熱等問題的求解方法。隨著實(shí)驗(yàn)設(shè)備的完善、測試技術(shù)的迅速發(fā)展以及計(jì)算機(jī)對于流體的分析日益強(qiáng)大，近年來這一方法也使用較少。

數(shù)值法。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用數(shù)值計(jì)算的普及和發(fā)展，對流換熱過程的數(shù)值分析逐漸成為一種主要的求解方法，其結(jié)果可信性也逐步提高。數(shù)值模擬方法類似于用計(jì)算機(jī)來做有針對性的實(shí)驗(yàn)，可以形象再現(xiàn)流體在大環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)情況，能更加有效地解決實(shí)驗(yàn)不能解決的問題，對于分析問題有很大幫助。

在自然界、人類生活和生產(chǎn)活動(dòng)中存在大量的對流換熱現(xiàn)象。研究對流換熱系數(shù)，我們先要理解對流換熱的定義。對流換熱是指固體壁面與環(huán)境流體直接接觸時(shí)所發(fā)生的熱量傳遞過程，它發(fā)生在緊靠固體表面的邊界層中。如果流體的流動(dòng)是外力推動(dòng)而形成的，則由此引起的對流換熱為強(qiáng)迫對流；如果流體的流動(dòng)是有緊靠熱表面的受熱流體的浮力運(yùn)動(dòng)而引起，則這種對流換熱稱為自然對流。為了便于分析研究，通?？偘褌鳠岈F(xiàn)象看作是熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射三種最基本形式在其體場合下的不同組合。熱傳導(dǎo)，是指物體各部分之間沒有相對位移或者不同物體直接接觸時(shí)依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的熱量傳遞現(xiàn)象。由于直接接觸而發(fā)生能量傳遞的現(xiàn)象。

對流傳熱系數(shù)也稱對流換熱系數(shù)。對流換熱系數(shù)的基本計(jì)算公式由牛頓于1701年提出，又稱牛頓冷卻定律。牛頓指出，流體與固體壁面之間對流傳熱的熱流與它們的溫度差成正比，即：

q = h*(tw-t∞)

Q = h*A*(tw-t∞)=q*A

式中：

q為單位面積的固體表面與流體之間在單位時(shí)間內(nèi)交換的熱量，稱作熱流密度，單位W/m^2；

tw、t∞分別為固體表面和流體的溫度，單位K；

A為壁面面積，單位m^2；

Q為單位時(shí)間內(nèi)面積A上的傳熱熱量，單位W；

h稱為表面對流傳熱系數(shù)，單位W/(m^2.K)。